Appunti sulla scoperta del bosone di Higgs: come lo abbiamo scovato, e quello che ne sappiamo oggi

Siamo arrivati alla fine di questa giornata epica, e, nonostante la stanchezza, proverò a buttare giù un paio di appunti sul seminario di stamattina. Proverò a spiegarvi perché ATLAS e CMS possono finalmente dichiarare di avere scoperto una nuova particella, perché questa particella assomiglia moltissimo al bosone previsto dal signor Higgs e i suoi amici, quali sono eventualmente i punti non chiari nel quadro che abbiamo sotto gli occhi, e quali saranno i prossimi passi.

Per capire meglio quello che voglio raccontarvi, sarebbe veramente importante che andaste a rileggervi l'articolo che scrissi all'indomani del seminario di dicembre scorso. Fatto? Allora vi siete certamente rinfrescati la memoria su alcuni aspetti fondamentali della ricerca del bosone di Higgs. In estrema sintesi, questi:

  • I colleghi teorici non ci hanno mai detto la massa del bosone di Higgs, e ci è toccato cercarla un po' dappertutto;
  • il bosone decade in molti modi, più o meno frequentemente a seconda della massa che potrebbe avere, e ne abbiamo cercato dunque diverse tracce a diverse masse possibili;
  • alcune tracce sono più facili da vedersi di altre, perché il segnale è più pulito e/o c'è meno rumore di fondo a coprirle. Nelle regioni di bassa massa, i canali di decadimento con il rapporto segnale/rumore più favorevole sono quello in due fotoni, e quello in due bosoni Z che decadono a loro volta in quattro elettroni, quattro muoni, o due elettroni e due muoni (per farla breve quattro leptoni).

Prima di continuare, fare un altro sforzo, e andare a rileggervi questi tre articoli (questo, questo e questo) che trattano in modo accessibile a tutti la questione del segnale, del rumore, e della statistica. Fatto? Allora dovreste avere chiaro come servano tempo e dati per poter separare un segnale dal rumore di fondo, e come una deviazione dal rumore troppo piccola non possa (ancora) essere dichiarata una scoperta di nuovo segnale, fino a quando la sua taglia possa essere confusa con una fluttuazione del fondo.

Se avete avuto la pazienza di rileggere i pezzi che vi ho consigliato, allora la strada è in discesa. Mancano solo i risultati, e un piccolo particolare: nel 2011 LHC produceva collisioni a energie nel centro di massa di 7 TeV, mente nel 2012 si è fatto lo sforzo di portare questa energia a 8 TeV. Perché? Perché il ritmo di produzione atteso del bosone di Higgs aumenta con l'aumentare dell'energia delle collisioni, e aumenta di più di quanto non aumenti il ritmo di produzione di quasi tutti i rumori di fondo. In sostanza, a 8 TeV il rapporto segnale/rumore è più favorevole che a 7 TeV. Il che significa che, a parità di dati analizzati, a 8 TeV le probabilità di vedere un segnale aumentano, anche in modo sostanziale.

Come sapete, grazie al lavoro indefesso dei macchinisti di LHC, ATLAS e CMS hanno raccolto nel 2012 circa 6 femtobarn inversi, e, facendo veramente i salti mortali, sono riusciti a ripulirli e analizzarli tutti in tempi veramente molto brevi: l'ultima manciata di dati è stata presa l 18 giugno, fate un po' voi!

Ecco dunque i risultati. Nel canale di decadimento in due fotoni uno va a cercare una piccola gobba dovuta ai fotoni di disintegrazione del bosone di Higgs, in cima alla valle del rumore di fondo costituito dai fotoni prodotti naturalmente nelle collisioni  protone-protone (nella realtà le cose sono più complesse, non tutti fotoni sono veri, e bisogna saperli misurare bene. Ma sorvoliamo). Ecco cosa vede CMS, combinando i dati del 2011 con quelli del 2012 (e barando un po' nella presentazione, ma passiamo oltre):

ed ecco ATLAS:


Vedete le gobbe?  Sono diventate belle grandi, e inizia a essere veramente difficile che possano essere state prodotte dalla fluttuazione del rumore di fondo. Analogamente per il canale in quattro leptoni, per ATLAS:

e per CMS:

Nuovamente, intorno a 125 GeV c'è un eccesso di eventi che le sole fluttuazioni del fondo non sono più in grado di giustificare.

Con procedure statistiche piuttosto sofisticate, uno può quantificare quanto probabile sia che questi eccessi siano dovuti a una fluttuazione del rumore di fondo. Lo può fare per i singoli canali, lo può fare per la loro combinazione, e - e qui viene il bello! - lo può fare mettendo insieme i dati del 2011 e del 2012. Per comodità faccio che mostrarvi i risultati finali. Nei grafici che hanno fatto il giro del mondo, quello che vedete disegnato è l'andamento in funzione della presunta massa del bosone di Higgs di una variabile, il "p-value", che misura quanto probabile sia che per una certa massa i segnali visti o la loro combinazione siano compatibili con i solo rumore di fondo. Se il p-value è prossimo a 1 (ovvero, 100%), siete praticamente certi che si tratti di rumore di fondo. Più il p-value è piccolo, più è improbabile che sia rumore quello state osservando, e il p-value può diventare talmente piccolo da rendere questa probabilità infima. Notate: infima, ma mai nulla! Perché nella scienza, che vi piaccia o meno, le certezze assolute non esistono. Esistono però delle convenzioni che gli scienziati hanno stabilito, per decidere quanto piccola debba essere la probabilità che un presunto segnale sia solo rumore, per accettare che si tratti in effetti di una scoperta: i famosi 5 sigma. Che CMS ha visto:

 e che ATLAS ha visto:

Ovviamente, il fatto che entrambi gli esperimenti vedano allo stesso tempo, e con livelli di probabilità (o confidenza) simili, è un'ulteriore conferma della solidità del risultato. ATLAS e CMS hanno scoperto una nuova particella, non ci sono dubbi.

E gli altri canali di decadimento? Non tutte le analisi con i dati 2012 sono pronte nel caso di ATLAS (e vedere il risultai nel canale di decadimento in due bosoni W sarà importante per capire meglio se proprio di un bosone di Higgs si tratta), mentre nel caso di CMS i canali con un peggiore rapporto segnale/rumore non mostrano granché (in buon parte come atteso, anche se ci sarebbero alcuni aspetti da discutere, come penso e spero avverrà a ICHEP, specie per il decadimento in due leptoni tau), e al limite fanno scendere i 5 sigma a 4.9, nulla di veramente significativo per quello che riguarda la solidità del segnale.

Resta ovviamente da stabilire se si tratti proprio del bosone di Higgs. Quelli che abbiamo osservato sono in effetti segnali di una particella che si comporta molto da vicino come il bosone di Higgs previsto dal Modello Standard. Decade in quello che ci aspettiamo in cui debba decadere, e lo fa più o meno ai ritmi giusti. In quel "più o meno" sta tutta l'ambiguità della scoperta: i dati che abbiamo oggi ci permettono di dichiarare una scoperta, ma sono ancora piuttosto imprecisi sulle proprietà di quello che abbiamo scoperto. Globalmente, il tutto sembra essere compatibile con il bosone di Higgs del Modello Standard, ma per esempio sia CMS che ATLAS sembrano vedere un ritmo di decadimento in due fotoni circa doppio rispetto a quello previsto. Questo "doppio" è credibile? Molto meno che la scoperta stessa, nel senso che l'errore sperimentale sui ritmi di decadimento (come sulla massa stessa della particella scoperta) è ancora grossino. Solo con più dati, e studi più approfonditi, potremo dire se si tratta di quel bosone di Higgs, o di un suo cugino che gli assomiglia molto. Naturalmente tutti speriamo che sia quest'ultima ipotesi a avverarsi, perché significherebbe che esiste qualche altro meccanismo ignoto che causa queste differenze. E, si sa, ai fisici l'ignoto piace molto.

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26 Commenti

  1. Mattia
    Pubblicato 4 luglio 2012 alle 23:56 | Link Permanente

    Lo aspettavo questo articoletto.

    Innanzitutto complimenti e grazie perchè se oggi eravamo in tanti "profani" ad emozionarci è anche per merito tuo e per la passione che ci metti nel raccontarci queste cose "da fisici", ce le trasmetti talmente con entusiasmo che tutti oggi ci sentiamo un po' "protagnisti".

    Io sinceramente penso che il lavoro svolto fino ad ora sia fantastico e mi auguro che questo nuovo inizio come ha detto il vostro DG e la dott.ssa Gianotti sia l'inizio di un percorso fruttuoso e ricco di soddisfazioni.

    Complimenti ancora Marco!

    Una curiosità, questa scoperta ha quietato OCRAM? come l'ha presa?! ;)

  2. Fabrizio Biondi
    Pubblicato 5 luglio 2012 alle 00:03 | Link Permanente

    Sicuro di non confondere probabilità e confidenza? Da come ne parli sembra che siano la stessa cosa, ma il p-value _non_ è la probabilità che un dato sia rumore di fondo, così come uno meno p-value non è la probabilità che il dato confermi l'ipotesi... sono proprio cose scollegate :)

  3. Pubblicato 5 luglio 2012 alle 00:08 | Link Permanente

    @Fabrizio: questo è un blog divulgativo, e mi tocca approssimare. Cosa sono i p-value che calcoliamo lo so, ma non penso valga la pena descriverli nel dettaglio qui, e quello che ho scritto basta e avanza per passare il messaggio che serve, o perlomeno credo...

  4. Fabrizio Biondi
    Pubblicato 5 luglio 2012 alle 00:11 | Link Permanente

    Ma certo, capisco :). Ero un po' preoccupato perché ho visto paperi di fisici in cui si invertivano i concetti liberamente... Se un giorno hai voglia di scrivere qualcosa di divulgativo sull'argomento sono disponibile :) (credo possa essere interessante, almeno come metodo scientifico ed epistemologia...)

  5. Bigalfry
    Pubblicato 5 luglio 2012 alle 00:47 | Link Permanente

    Nel secondo grafico di Atlas ci sono dei picchi molto grandi oltre a quello a 125 GeV. Cosa significa? E cosa sono quei punti isolati tagliati da una linea verticale? Sono i dati?

  6. Luigi Mantellini
    Pubblicato 5 luglio 2012 alle 02:18 | Link Permanente

    ottimo articolo. :) credo di aver capito tutto... ho detto credo!

    (ci sono due errori di battitura, credo, s/embargo/sembrano/g e s/bisogne di/bosone di/g)

  7. forzalube
    Pubblicato 5 luglio 2012 alle 04:01 | Link Permanente

    Già, dalla 3° figura sembra esserci un altro picco attorno a 240 Gev.

  8. Giorgio Grossi
    Pubblicato 5 luglio 2012 alle 08:47 | Link Permanente

    Ciao Marco, mi piacerebbe farti alcune domande da profano. Guardo il plot di CMS sui dati pesati vs. m_{\gamma\gamma}. Il fit S+B immagino che sia un fit "Signal" + "Background". Corretto ? Immagino che questo fit sia stato ottenuto da altri dati, non da quelli sul plot. Corretto ? Se rimuovo quel fit dal plot e guardo solo i dati S/B, vedo fluttuazioni statistiche significative a 136 GeV. Perche' non sono significative ? Detto diversamente, vedo bene il picco a 125 GeV ma vedo anche un segnale oltre 2 sigma a 136 GeV. E' solo rumore ? Grazie mille!!! Ciao.

  9. Pubblicato 5 luglio 2012 alle 10:39 | Link Permanente

    E che sia chiaro, prima che me lo chiediate: io spero che il bosone di Higgs esista, e che abbia una massa di 125 GeV, e che, magari già per l'estate 2012, siamo in grado di poterne annunciarne la scoperta,

    direi che sei stato profetico!
    Grazie, come sempre, per la pazienza e il tempo che dedichi a spiegare in maniera comprensibile concetti che non sono esattamente semplici!

  10. Vince
    Pubblicato 5 luglio 2012 alle 11:15 | Link Permanente

    Non so quanto stupida possa essere la mia domanda: è valutabile la vita media di questo nuovo bosone? E quali possibili proprietà possono esserne descritte studiandone solo i prodotti del decadimento?

  11. malt
    Pubblicato 5 luglio 2012 alle 11:22 | Link Permanente

    Posso essere un poco perplesso dal plot "ripesato" fatto da CMS per H->gamma gamma?

  12. Pubblicato 5 luglio 2012 alle 12:34 | Link Permanente

    @Malt: si, puoi. Come puoi leggere dal testo, anche io lo sono.

  13. Tommybond
    Pubblicato 5 luglio 2012 alle 12:40 | Link Permanente

    @ IgorB : A dir poco profetico! :-)
    I complottisti e i tipi che si aspettano sempre ricadute istantanee delle scoperte scientifiche sparsi per il web, sarebbero in grado di affermare che questa scoperta era già stata effettuata nel 400 a.c ma non è stata resa pubblica perchè gli scienziati sono degli spreconi, dei ruboni, dei beoni che hanno bisogno di tanti tanti soldi per vivere e per costruire strumenti sempre più grandi;-) ;-) I soggetti che ho appena descritto mi fanno davvero stare male!

  14. delo
    Pubblicato 5 luglio 2012 alle 12:41 | Link Permanente

    @Marco e Malt
    si'. Io li ho visti anche per ATLAS.
    Diciamo che 2 parole per dire che e' solo una tecnica di visualizzazione sarebbe stato meglio.
    D'altra parte, per la prima volta, noi di ATLAS abbiamo fatto vedere lo stesso spettro non ripesato ma con un bel bump nel posto giusto per "aiutare" l'occhio :)

    delo

  15. Brainstorm
    Pubblicato 5 luglio 2012 alle 12:57 | Link Permanente

    Grazie come sempre, leggendo il tuo blog le cose diventano immediatamente più chiare :-)

  16. Jonathan
    Pubblicato 5 luglio 2012 alle 22:20 | Link Permanente

    ... insomma ho capito, qualche cosa di nuovo c'è, e questo di per se è già un gran risultato, ma dire che si tratti del bosone previsto da Dr. Higgs è tutto ancora da dimostrare.

    semplicemente si è trovata e da poco aperta la porta che da su un territorio ancora tutto da esplorare e che metterà al lavoro e su dati concreti non solo gli sperimentali ma anche i teorici !!!

    detto questo Marco ti pongo una "semplice" questione che mi frulla in testa

    L'higgs e il suo campo danno massa alle particelle perfetto... ma in che "rapporto" sta o starebbe con la gravità ?

    nel modello standard l'esistenza del gravitone non è prevista giusto ? allora la forza di gravità da cosa è mediata, cos'è ?

    è l'effetto della distorsione dello spaziotempo provocato dall'higgs ? il campo di higgs allora è il mezzo attraverso cui si propaga la gravità ?

    o più semplicemente la gravità è ancora oggi un rompicapo ancora lontano da essere risolto e che comunque non centra nulla con l'higgs

    insomma riesci a fare un po di chiarezza in questo mio groviglio di nozioni... no perché quando mi lancio in spiegazioni... pseudo spiegazioni... e mi tirano in ballo la gravità non so più che dire... neanche fingendo di sapere come stavo facendo fino a poco prima ;)

  17. Pubblicato 6 luglio 2012 alle 10:47 | Link Permanente

    @Tommybond purtroppo ho sperimentato sulla mia pelle che il complottista medio non accetterà mai nessuna spiegazione, perché convinto che si tratti sempre di una macchinazione (hai presente la teiera di Russel?).
    Non a caso chi è propenso a credere a una teoria del complotto di solito è convinto che TUTTE le teorie del complotto siano vere, dalla finta scoperta del bosone di Higgs alle scie chimiche, ecc ecc.
    Inizialmente facevano star male anche me, adesso semplicemente li ignoro.
    Scusate l'OT...

  18. Alexandre
    Pubblicato 6 luglio 2012 alle 15:05 | Link Permanente

    Domanda!
    In giro qua e la (tipo sull’Atlantic ma soprattutto sul blog di Stephen Wolfram) si accoglie la notizia con un filo di tristezza, perché si dice che questa scoperta conferma la teoria e in un certo senso finisce la “ricerca” durata quarant’anni, e che probabilmente non resta molto altro da scoprire con i nostri mezzi attuali (acceleratori, etc).
    Siccome anche questo articolo finisce con una nota simile (speriamo che non sia l’Higgs, così scopriamo roba nuova), mi chiedevo, davvero questa scoperta porta a una sorta di “arresto” la ricerca dei fisici sperimentali? Ovvero, adesso c’è ovviamente eccitazione, ma nell’ambiente c’è anche una specie di “nostalgia” per aver probabilmente finito di ricercare le cose più importanti, o Wolfram dice fesserie?

  19. GIGI
    Pubblicato 6 luglio 2012 alle 15:58 | Link Permanente

    Non temere Alexandre! Come la cauta del muro di Berlino non ha segnato la fine della storia, così l'individuazione dell' Higgs non segnerà la fine della fisica.
    Ne restano di problemi! Gravità e meccanica quantistica da mettere d'accordo, la materia oscura, l'energia oscura, le supersimmetrie...
    Dai Marco, dicci quante cose restano da investigare.

  20. dario
    Pubblicato 6 luglio 2012 alle 22:05 | Link Permanente

    @Gigi
    Come la cauta del muro di Berlino non ha segnato la fine della storia....è vero.. ma ha segnato indiscutibilmente la fine del Comunismo...sig :(

  21. Pubblicato 11 luglio 2012 alle 18:02 | Link Permanente

    @Giogio Grossi: in effetti se guardi il p-value di CMS per il solo canale gamma-gamma, vedi che anche a 135 GeV hanno un eccesso ma decisamente meno significativo. Nel momento in cui combini i diversi canali, siccome non vedi nulla di analogo alla stessa massa, la significanza statistica locale diminuisce molto, supportando l'ipotesi della fluttuazione.

  22. Pubblicato 11 luglio 2012 alle 18:06 | Link Permanente

    @Jonathan: urca, quante domande! Troppe per un commento. Ci diamo un appuntamento a una passeggiata con Oliver? :-)

  23. Jonathan
    Pubblicato 12 luglio 2012 alle 11:26 | Link Permanente

    Ok grazie… se non fosse per oliver !!!
    Dal mio post si capisce la gran confusione che ho… ci sono vari assunti contraddittori

  24. Salvatore
    Pubblicato 19 luglio 2012 alle 15:13 | Link Permanente

    non capisco una cosa: ma se l'energia dei fasci è fissa (7 oppure 8 Gev) che vuol dire che varia l'energia delle coppie di fotoni come fai vedere nei primi due grafici?

  25. Pubblicato 19 luglio 2012 alle 15:31 | Link Permanente

    @Salvatore: non tutta l'energia nel centro di massa è disponibile nella collisione. I protoni sono oggetti composti, e quello che conta è la frazione di energia che portano i quark o i gluoni che interagiscono, che è sempre minore dell'energia nel centro di massa totale, e varia da collisione a collisione. Detto questo, anche per energia della collisione costante, hai comunque variazioni cinematiche dello stato finale che cambierebbero le distribuzioni degli oggetti finali.

  26. Salvatore
    Pubblicato 25 luglio 2012 alle 11:30 | Link Permanente

    Grazie Marco, chiaro come sempre!

15 Trackbacks

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